Fosfor: właściwości i odmiany alotropowe

Fosfor jest pierwiastkiem występującym w kilku odmianach alotropowych. Najpospolitszą z nich jest fosfor biały - bezbarwna, przepuszczająca światło i bardzo miękka substancja, charakteryzująca się dobrą rozpuszczalnością np. w trójchlorku fosforu, chlorku siarki i siarczku węgla (z którego można otrzymać, przez odparowanie roztworu, fosfor w postaci kryształów o sieci regularnej), średnią w eterach oraz bardzo słabą w wodzie i alkoholach. Pod ciśnieniem atmosferycznym temperatura topnienia fosforu białego wynosi 44°C, a temperatura wrzenia 280°C.

Fosfor biały, ze względu na swoją dużą aktywność chemiczną, wykazuje wiele ciekawych właściwości. Na przykład w strumieniu chloru zaczyna się samorzutnie utleniać już w temperaturze pokojowej. Bardzo mocno reaguje również z bromem, siarką i licznymi metalami. Jest on również bardzo silną trucizną - już 0,1g wprowadzona do żołądka może spowodować śmierć.

Z fosforem należy się obchodzić bardzo ostrożnie, zwłaszcza, gdy ma się do czynienia ze zwartą masą, która spala się już w temperaturze 60°C. Wystarczy dostarczyć mu trochę ciepła, np. przez krojenie go nożem (tarcie), aby zapoczątkować proces utleniania. Dlatego zaleca się kroić fosfor zawsze zwilżony wodą.

Rozdrobniony fosfor pali zapala się samorzutnie w temperaturze pokojowej, co widać na przykład w następującym doświadczeniu: po nasączeniu bibułki roztworem fosforu w CS₂ i odparowaniu rozpuszczalnika, w niedługim czasie następuje zapalenie bibuły. W reakcji utleniania fosforu powstaje pięciotlenek fosforu PO₅ oraz śladowe ilości innych tlenków, połączone z wydzieleniem dużej ilości ciepła:

Fosfor, przechowywany w temperaturze pokojowej, świeci w zetknięciu z wilgotnym powietrzem. Przyczyną tego zjawiska jest powolne utlenianie par fosforu z wydzieleniem niższych tlenków oraz energii w postaci promieniowania widzialnego (chemiluminescencja). Aby zapobiec temu zjawisku zaleca się przechowywanie fosforu pod ochronną warstwą wody. Powyższe zjawisko demonstruje bardzo efektowne doświadczenie z tzw. zimnym płomieniem Smithellsa: na dnie kolby należy umieścić kawałki fosforu białego przykryte watą szklaną i ogrzać całość na łaźni wodnej. Przepuszczany przez kolbę silny strumień dwutlenku węgla wydmuchuje pary fosforu na zewnątrz kolby, gdzie ulegają one zetknięciu z tlenem z powietrza i utlenieniu. Powstaje wielki, świecący płomień o temperaturze nie różniącej się od temperatury pokojowej. Co ciekawe, w atmosferze czystego tlenu fosfor nie ulega utlenieniu - nie można zaobserwować "zimnego płomienia". Dopiero gdy ciśnienie tlenu spada do poziomu obecnego w atmosferze, następuje spalanie par fosforu. Jest to spowodowane tym, iż reakcja powolnego utleniania par fosforu jest reakcją łańcuchową, do przebiegu której niezbędne jest odpowiednie ciśnienie cząstkowe gazów reagujących oraz obecność innych związków, między innymi pary wodnej. Obecność innych związków, np. eterów czy alkoholi, może osłabić a nawet spowodować całkowity zanik świecenia.

Ogrzewanie fosforu białego do 260°C przy braku dostępu powietrza powoduje przemianę fazową do fosforu czerwonego - proszku o ciemnoczerwonym zabarwieniu. Jest to substancja bardzo słabo rozpuszczalna, co powoduje, iż nie jest ona, w przeciwieństwie do fosforu białego, trująca. Nie jest również aktywna chemicznie, utlenia się dopiero w temperaturze powyżej 400°C.

Kolejną odmianą alotropową fosforu jest fosfor czarny (metaliczny), który pierwszy raz został otrzymany przez Bridgmana przez ogrzewanie białego fosforu, pod ciśnieniem 12000 at i bez dostępu powietrza, do temperatury 200°C. Jest to szara, metaliczna substancja, bardzo mało aktywna chemicznie, charakteryzująca się dużą gęstością i dobrym przewodnictwem, zarówno cieplnym jak i elektrycznym.

Fosfor, dzięki swoim właściwościom, znalazł w przemyśle liczne zastosowania. Fosfor biały był dawniej stosowany w zapałkach, jednak ze względu na właściwości toksyczne zakazano jego użycia w większości krajów europejskich. Obecnie fosfor (czerwony), razem z tłuczonym szkłem i dwutlenkiem manganu, znajduje się jedynie w paskach ciernych na pudełkach od zapałek (potarcie paska zapałką powoduje utlenienie fosforu i przeniesienie płomienia na główkę zapałki). Inne zastosowania czystego fosforu to trutki na gryzonie (fosfor biały) i elementy świecące na tarczach zegarków (fosfor czerwony).

Zastosowanie przemysłowe znalazły również związki fosforu - tlenki stosuje się jako reduktory (P₄O₆) oraz substancje osuszające (P₄O₁₀), kwas fosforowy (H₃PO₄) jako dodatek do napojów gazowanych (np. coca - coli), a jeszcze inne związki jako katalizatory w przemyśle chemicznym. Bardzo ważnym przemysłowo związkiem jest fosforan(V) sodu, który stosuje się jako dodatek do detergentów. W związku z rosnącym zużyciem środków piorących zawierających fosfor, coraz większa ilość tego pierwiastka dostaje się do wód powierzchniowych, powodując eutrofizację.